控压钻井液动节流压力控制系统仿真分析与试验研究.pdf

第 4 1 卷 第 2期 2 O 1 3年 3月 石 油 钻 探 技 术 P ETR0LEUM DRI LI I NG TECHNI QUE S Vo 1 ． 4 1 No ． 2 M a r ．， 201 3 ． ． 钻采机械 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 0 8 9 0 ． 2 0 1 3 ． 0 2 ． 0 2 1 控压钻井液动节流压力控制系统仿真分析与试验研究 金业权 ，孙泽秋 ，刘 刚 1 ．中国石油大学 华东 石油工程学院 ， 山东青岛 2 6 6 5 8 0 ； 2 ．中国石化 石油 工程技术研究 院德州大陆架 石油工程技术有 限公司 ， 山东德州 2 5 3 0 0 5 摘要 针 对传统控 制方式难 以实现节流压 力精确控 制 的 问题 ， 提 出了一种 基 于“ P L C 高速 开 关阀” 的液动 节流压力控制方法。在完成 系统方案设计的基础上， 建立了系统的数学模型及传递函数； 根据劳斯判据， 得 出系统 四阶系数大于0 ， 利用 Ma t l a b 仿真得 出该系统的幅值裕度大于 0 ， 相位裕角大于 4 5 。 。现场实测数据与理论计算数 据对 比分析可知 ， 曲线形状相似 ， 平均相对误差 4 ． O ％ ， 说 明该 系统的稳定性 良好 ， 能满足 现场对控 压钻井的工程要 求。该控制 系统 弥补 了现有控 制 系统的不足 ， 为精 细控 压钻井提供 了新 的技 术支持 。 关键词 控 压钻井 精细控压钻井 节流控制 系统仿 真 压力控制 中图分类号 T E 2 4 9 文献标 识码 A 文章编 号 1 0 0 1 0 8 9 0 2 0 1 3 0 2 0 1 0 9 0 5 Si m u l a t i o n Ana l y s i s a n d Ex pe r i me nt a l S t u d y o f M a na g e d Pr e s s u r e Dr i l l i n g Hy d r a u l i c Thr o t t l e Pr e s s u r e Co nt r o l S y s t e m J i n Ye q u a n ，S a n Ze q i u ，Li u Ga n g 1 ． S c h o o l o f Pe t r o l e u m En g i n e e r i n g， C h i n a U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m Hu a d o n g ， Qi n g d a o ， S h a n d o n g， 2 6 6 5 8 0 ， C h i n a ； 2 ． S h e l f o i l P e t r o l e u m Eq u i p me n t S e r v i c e s C o ．L t d ． ， S i n o p e c Re s e a r c h I n s t i t u t e o f Pe t r o l e u m En gi n e e r i n g， De z h o u， S h a n d o n g， 2 5 3 0 0 5 ， Ch i n a Ab s t r a c t S i n c e t h e t r a d i t i o n a l “ PI D P r o p o r t i o n S e r v o Va l v e ”t h r o t t l e p r e s s u r e c o n t r o l s y s t e m h a s d i f f i c u l t y i n p r e c i s e c o n t r o l o f t h e t h r o t t l e p r e s s u r e ， a h y d r o d y n a mi c t h r o t t l e p r e s s u r e c o n t r o l s y s t e m h a s b e e n d e v e l o p e d b a s e d o n t h e“ P LC _ L Hi g h S p e e d S wi t c h Va l v e ’ ’h y d r o d y n a mi c t h r o t t l e p r e s s u r e c o n t r o l s y s t e m． On t h e b a s i s o f t h e s y s t e m d e s i g n， t h e ma t h e ma t i c mo d e l a n d t r a n s f e r f u n c t i o n o f t h e s y s t e m we r e b u i l t ． Ac c o r d i n g t o t h e Ro u t h Cr i t e r i o n t h a t t h e s y s t e m f o u r o r d e r c o e f f i c i e n t wa s g r e a t e r t h a n z e r o ， t h r o u g h t h e s i mu l a t i o n o f M a t l a b d r a w s y s t e m a mp l i t u d e ma r g i n wa s g r e a t e r t h a n z e r o a n d p h a s e ma r g i n a n g l e g r e a t e r t h a n 4 5 d e g r e e s ． Co mp a r i s o n o f t h e me a s u r e d d a t a a n d t h e c a l c u l a t e d d a t a s h o we d t h a t t h e c u r v e s we r e s i mi l a r i n s h a p e wi t h a v e r a g e r e l a t i v e e r r o r o f 4 ． 0 ， i n d i c a t i n g t h e s y s t e m wa s g o o d i n s t a b i l i t y we l l a n d c o u l d me e t t h e r e q u i r e me n t s o f p r e s s u r e c o n t r o 1 ． Th e c o n t r o l s y s t e m h a s ma d e u p f o r t h e d e ft c i e n c y o f t h e e x i s t i n g c o n t r o 1 s y s t e m t o me e t t h e“ s t a b l e ， f a s t ， a n d p r o v i d e n e w t e c h n i c a l s u p p o r t ”f o r a c c u - r a t e ma n a g e d p r e s s u r e d r i l l i n g ． Ke y wo r d s ma n a g e d p r e s s u r e d r i l l i n g； p r e c i s e ma n a g e d p r e s s u r e ； t h r o t t l e c o n t r o l ； s y s t e m s i mu l a t i o n； p r e s s u r e c o n t r o l 随着油气资源勘探开发的不断深入 ， 窄压力 窗 口地层钻井 中出现的问题越来越严重。精细控压钻 井技术是为有效解决传统钻井中常出现溢流或井漏 等复杂情况而发展起来 的一项钻井技术_ 1 ’ 。 ] 。节流 压力控制 系统是精细控压钻井技 术 的关键技 术之 一 ，可 以通过控制节流阀开度来控制节流压力， 达到 快速控制井筒压力的 目的。国外对控压钻井的研究 较早 ， 技术相对 比较成熟 ， 而 国内起步晚 ， 控压设备 收稿 日期 2 0 1 2 1 0 1 1 ； 改回 日期 2 0 1 3 0 2 2 6 。 作者简介 金 业权 1 9 6 8 一 ， 男， 湖 北黄 冈人 ， 1 9 9 2年毕业 于江 汉石 油学院钻 井工程 专业， 2 0 0 6年 获武汉 大学岩 土工程专业博 士学 位， 副教授， 硕士生导师， 主要从事油气井力学、 信息与控制以及井控 风 险评价方 面的研 究。 联 系方式 1 5 0 6 3 0 1 8 5 2 5 ， j i n y e q u a n 1 5 6 1 2 6 ． c o r f l 。 基金项 目 国家科 技 支撑计 划项 目“ 三 高气井 井筒压力控 制技 术” 编号 2 0 0 8 B AB 3 7 1 3 0 2 部分研 究 内容。 石 油 钻 探 技 术 为液压缸的流量增益 ； A为液压缸工作面积 ， m。 ； W 为无阻尼振荡频率 ， Hz ； 为液压阻尼 比； K 为闭环 系统 中传感器增益 。 2 ． 2 基于劳斯判据的系统稳定性分析 稳定性是控制系统 的一个重要技术指标 ， 常采 用劳斯判据来判断闭环系统的稳定性 。由式 1 0 可 推知 ， 系统的特征方程为 s s 。 2 r wn S S K Kf一 0 叫 叫 i 叫 “ 1 1 根据液压系统设计资料_ 1 ， 可知 砌 为 8 0 ； 计 算得出液压阻尼比 为 0 ． 2 ； r常取 O ～1 ． 0 ； 位移传 感器的动态特 性较弱 ， 可以忽略不计 ， 传感器增 益 Kf 常取 1 0 0 。 经推导计算可知， 式 1 1 中各系数都大于 0 ， 且 l 。 2 --a o 以 3 0 ， n 1 口 2 口 3 一以 。 以 ； 一n } 口 4 0 其 中各 项 系数 以 。 一 ， n 1 一 2 r 1 ，n2一 2 rWn ， 以3 1， 倪 n Wn ／ ． 2 n K K ， 根据劳斯判据 中四阶系统稳定 的充分必要 条件可知 ， 该系统是稳定 的。 2 ． 3 基于 Ma t l a b仿真的系统性能分析 利用 Ma t l a b软件对控制系统 的传递 函数进行 模拟仿真， 分别给予单位 脉冲信号和单位阶跃信号 进行激励 ， 仿真得 出振幅与时间变化的响应曲线 见 图 5 。根据控制 系统稳定 、 快速的设 计原则 ， 对控 制系统性能进行分析 。 图 5 单位信号激励 下的响应 曲线 F i g ． 5 Un i t s i g n a l e x c i t e d r e s p o n s e c u r v e 从图 5 可以看出， 在单位脉冲信号的激励下， 信 号出现震荡 ， 随着激励信号的消失 ， 系统快速恢复到 自身平衡状态 恢复时间 1 s ， 说明该系统具有抗外 界干扰信号能力强的特性 。该系统在阶跃信号 的激 励下 出现大幅度的变化 ， 振 幅快速到达一个位置波 动， 并在短时间内维持到某个位置。模拟计算 出其 超调量 2 0 ， 延迟时间 0 ． 2 S ， 调节时间 0 ． 6 S ， 根据 这 3个技术参数可判断出该控制系统满足工程设计 要求 ， 能够实现对控制量的精确测控 。 对该 系统进行频域分析 ， 可 以看出幅值裕度为 4 1 ． 8 d b ， 相位裕度为 8 4 。 ， 都大于 0且相位裕角大于 4 5 。 ， 说明该系统稳定性 良好 。 3 控制系统试验研究 在室内和现场对该液动节流压力控制系统进行 控压钻井试验 ， 根据控制系统的设计原则 ， 参考试验 数据详细分析系统的稳定性 、 快速性 响应 时间 和 准确性等 3个性能指标 。 将控制压力从 0 MP a 顺次升至7 MP a ， 控制初 始阶段控制压力从 0 MP a变为1 MP a ， 节流阀从初 始开度 4 0 mm调节至控制位置的时间是 1 7 S ， 控制 执行迅速 ， 满足工程要求 见 图 6 。当控制压力稳 定在某值时 ， 节流阀停止动作 ， 随着控制压力的依次 变化 ， 节流 阀开度相应地发生变化 ， 说明控制压力的 跟随I生比较好 ， 并且没有出现过冲现象 ， 说 明控制系 统响应迅速 ， 稳定性较好。 图 6 液动节流压 力控 制系统控 制曲线 Fi g ． 6 Cont r o l c u r v e o f h y dr a u l i c t hr o t t l e pr e s s u r e c o nt ro l s y s t e m 由现场 实测 数 据 与理 论 计 算 数 据对 比曲线 见 图 7 可知 ， 理论计算数据与实测数据 的曲线形 状相似 。经计算 可知 ， 相对误 差平均 为 4 ． 0 9 ／ 6 ， 满 足现场对控压钻井 的工程要求 。这说 明该控制 系 统的控制精度较高， 控制效果良好， 系统具有较高 的准确性 。 4 结论 1 为了解决传统 的节流压力控制系统 中存在 第 4 1卷第 2期 金 业权等． 控压钻 井液动节流压力控制 系统仿 真分析 与试验研究 6 5 4 ＼ 誉s 2 l 0 1 7 1 9 2l 2 3 2 5 2 7 2 9 3 1 开度 ／ ram 图 7实测数据 与理 论计算数据 F i g ． 7 Co n t r a s t c u r v e o f t h e f i e l d a nd t he c a l c u l at e d d a t a 对 比曲线 me a s u r e d d a t a 的问题 ， 提出了一种基于“ P L C 高速开关 阀” 的液动 节流压力的控制思路 ， 完成 了控制系统的方案设计。 2 利用经典劳斯 判据理论 、 Ma t l a b模拟仿真 以及实测数据验证等 3种方法 ， 对控制系统进行 了 性能分析 ， 验证了系统的稳定性 ， 控制精度达到现场 对控压钻井的工程应用要求 。 3 该控制系统克服 了现有控制系统 中常出现 的过 冲、 定位 困难 的技术难题 ， 为精细控压钻井提供 了新的技术支持 。 参考文 献 Re f e r e nc e s [ 1 ] 周英操 ， 杨雄文， 方世 良， 等． P C D S I 精细控压钻井系统研制与 现场试验_ J ] ． 石油钻探技术 ， 2 0 1 1 ， 3 9 4 7 - 1 2 ． Z h o u Yi n g c a o， Ya n g Xi o n g we n， F a n g S h i l i a n g， e t a 1 ． De v e l o p me n t a nd f i e l d t e s t o f PCD I p r e c i s e ma n a g e d p r e s s ur e d r i l l i n g s y s t e m [ J ] ． P e t r o l e u mD r i l l i n gT e c h n i q u e s ， 2 0 1 1 ， 3 9 4 7 - 1 2 ． [ 2 ] 金业权， 刘刚， 孙泽秋． 控压钻井中节流阀开度与节流压力的关 系研究 _ J ] ． 石油机 械 ， 2 0 1 2 ， 4 0 1 0 1 1 1 4 ． J i n Ye q u a n， Li u Ga n g， S u n Ze q i u ． Th e r e l a t i o ns hi p r e s e a r c h be t we e n t h r o t t l e v a l v e o p e n i n g a n d t h r o t t l e pr e s s u r e o f ma n a ge d p r e s s u r e d r i l l i n g[ J ] ．C h i n a P e t r o l e u m Ma c h i n e r y ， 2 0 1 2 ， 4 0 1 0 l l 一 1 4 ． [ 3 ] 金 业权 ， 孙 泽 秋 ， 刘 刚． 控 压钻 井 井 口回压 控 制 系统 ， 中 国 2 0 1 2 2 0 1 9 0 2 2 5 ． 4 E P ] ． 2 0 1 2 1 2 - 0 5 ． J i n Ye q u a n，S u n Ze q i u，Li u Ga n g ．Pr e s s u r e c o n t r o l d r i l l i n g we l l he a d ba c k pr e s s u r e c o n t r o l s y s t e m ， Ch i n a 2 0 1 2 2 0 1 9 0 2 2 5 ． 4 [ P ] ． 2 0 1 2 1 2 0 5 ． 2 4 ] 石希天 ， 肖铁 ， 徐金凤 ， 等． 精细控压 钻井技术 在塔 中地区 的应 用及评价[ J ] ． 钻采工艺 ， 2 0 1 0 ， 3 3 5 3 2 3 4 ． S hi Xi t i a n， Xi a o Ti e ， Xu J i n f e n g， e t a 1 ．App l i c a t i o n o f p r e c i s e ma n a ge d pr e s s u r e d r i l l i ng t e c h n o l o g y i n c e nt r a l Ta r i m Ar e a _ J ] ． D r i l l i n g P r o d u c t i o n T e c h n o l o g y ， 2 0 1 0 ， 3 3 5 3 2 ～ 3 4 ． [ 5 ] 金业权， 孙泽秋， 方传新 ， 等． 精细控压钻井技术的研究进展与应 用分析E J ] ． 中国石油和化工标准与质量 ， 2 0 1 2 ， 3 2 2 4 9 - 5 0 ． J i n Ye q u a n ， S u n Z e q i u ， F a n g C h u a n x in， e t a 1 ． P r e c i s e ma n a g e d p r e s s ur e d r i l l i n g t e c h n o l o g y r e s e a r c h a n d p r o g r e s s a p p l i c a t i o n _ J ] ．C h in a P e t r o l e u m a n d C h e mi c a l S t a n d a r d a n d Qu a l i t y ， 2 0 1 2， 3 2 2 4 9 5 0 ． [ 6 ] 李宗清 ， 燕修 良， 陈永明 ， 等． 三参数 自动控压钻井 系统 的研 制 与试验_ J ] ． 石油钻探技术 ， 2 0 1 2 ， 4 0 6 9 9 1 0 3 ． Li Z o n g q i ng ， Ya h Xi u l ia n g ， Ch e n Yo n g mi n g， e t a 1 ． De v e lo p me n t a n d t e s t o f t h r e e - p a r a me t e r a u t o ma t i c p r e s s u r e c o n t r o l d r il l i n g s y s t e m [ J ] ． P e t r o l e u mD r i l l i n g T e c h n i q u e s ， 2 0 1 2 ， 4 0 6 9 9 1 0 3 ． [ 7 ] 宋 荣荣 ， 孙宝江 ， 王志远 ， 等． 控 压钻井气 侵后井 口回压 的影 响 因素分析[ J ] ． 石油钻探技术， 2 0 1 1 ， 3 9 4 1 9 2 4 ． S o n g Ro n g r o n g ， S u n B a o j i a n g ， Wa n g Z h i y u a n ， e t a 1 ． An a l y s i s o f t h e i n f l u e n c e f a c t o r s o f we l l h e a d b a c k p r e s s u r e i n ma na g e d p r e s s u r e d r i l l i n g a f t e r g a s i n v a s i o n[ J ] ．P e t r o l e u m Dr i l l i n g Te c hn [ q u e s ， 2 0 1 1， 3 9 4 i 9 2 4 ． [ 8 ] 王果 ， 樊洪海 ， 刘 刚． 井 底常压控制压力钻井设计计算 _ J ] ． 石油 勘 探与开发 ， 2 0 l 1 ， 3 8 1 1 0 3 1 0 8 ． W a n g Gu o， Fa n Ho n g h a i ， Li u Ga n g ． De s i g n a n d c a l c u l a t i o n o f a MP D mo d e l wi t h c o n s t a n t b o t t o m h o l e p r e s s u r e [ J ] ． P e t r o l e u m Ex p l o r a t i o n a n d De v e l o p me n t ， 2 01 1， 3 8 1 1 0 3 1 0 8 ． E 9 ] 金业 权 ， 刘 刚 ， 方 传新 ， 等． 欠 平衡 钻 井方 式地 层适 应性 研 究 E J ] ． 新疆石油地质， 2 0 1 1 ， 3 2 5 5 5 0 5 5 1 ． J i n Ye q u a n ， L i u Ga n g ， F a n g C h u a n x i n ， e t a 1 ． Th e f o r ma t i o n a d a p t a b i l i t y o f u n d e r b a l a n c e d d r il l i n g p r o c e s s [ J ] ． X i n j i a n g P e t r o l e u m Ge o l o g y， 2 01 1， 3 2 5 5 5 0 5 5 1 ． [ 1 O ] 王果 ， 刘 刚． 钻井试 验装 置钻压 伺服控 制系统 的设计 与仿 真 _ J ] ． 石油机械 ， 2 0 0 6 ， 3 4 6 5 0 5 2 ． W a n g Gu o， Li u Ga ng ． De s i g n a n d s i mu l a t i o n o f b i t s e r v O - c o n t r o l s y s t e m i n d r i l l i n g t e s t u n i t E J ] ． C h i n a P e t r o l e u m Ma e h i n c r y， 2 0 0 6， 3 4 6 5 0 5 2 ． [ 1 1 ] 任伟建， 刘世聪， 康朝海， 等． 油田钻井设备监控系统设计l_ J ] ． 化工 自动化及仪表 ， 2 0 1 1 ， 3 8 3 3 1 8 ～ 3 2 2 ． Re n We i j J a n ， L i u S h i c o n g ， Ka n g C h a o h a i ， e t a 1．Mo n i t o r i n g s y s t e m f o r o i l d r i l l i n g u n i t s [ J ] ． C o n t r o l a n d I n s t r u me n t s i n Che mi c a l I n d u s t r y， 2 01 1 ， 3 8 3 31 8 3 2 2 ． [ 1 2 ] 刘忠， 廖亦凡． 高速开关阀先导控制的液压缸位置控制系统建 模与仿真研究 [ J ] ． 中国机械工程 ， 2 0 0 6 ， 1 7 7 7 4 5 7 4 8 ． Li u Zh o n g， Li a o Yi f a n ．Mo d e l i n g a n d s imu l a t i o n o f hy d r a ul i c c y l i n d e r p o s i t i o n c o nt r o l s y s t e m b a s e d o n h i g h s p e e d o n - o f f v a l v e p i l o t c o n t r o l [ J ] ． C h i n a Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 6 ， 1 7 7 7 4 5 7 4 8 ． [ 1 3 ] 贺娟 ， 袁颂岳． 基于 D S P的高速开关 阀控液压缸 位置控 制系 统研究口] ． 中国机械工程 ， 2 0 1 0 ， 2 1 2 4 2 9 2 9 2 9 3 1 ． He J u a n ， Yu a n Son g y u e ．Hi g h - s p e e d o n ／ o ff v a l v e h y d r a u l i c p o s i t i o n c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n D S P [ J ] ． C h i n a Me c h a n i c a l En g i ne e r i n g， 2 0 1 0， 2 1 2 4 2 9 2 9 29 3 1 ． [ 1 4 ] 杨雄文， 周英操， 方世良， 等． 控压钻井分级智能控制系统设计 与室内试验_ J ] ． 石油钻探技术， 2 0 1 1 ， 3 9 4 1 3 1 8 ． Ya n g Xi o n g we n， Zh o u Yi n g c a o， Fa n g Sh i l i a n g， e t a 1 ．De s i g n a nd l a b o r a t o r y t e s t o f h i e r a r c h i c a l i n t e l l i g e nt c o n t r o l s y s t e m f o r ma n a g e d p r e s s u r e d r il l i n g [ J ] ． P e t r o l e u m D r i l l i n g T e c h ni q u e s， 2 0 1 1， 3 9 4 1 3 -1 8 ．